Фраза «паучий шёлк прочнее стали» звучит однозначно, хотя у материалов нет одной универсальной шкалы качества. Сталь бывает мягкой конструкционной, пружинной, инструментальной и в виде высокопрочной проволоки. Пауки тоже производят разные нити. Обычно в таком сравнении имеют в виду каркасный шёлк dragline.
Прочность — это напряжение, а не просто груз
Толстая проволока выдержит больший груз, чем тонкое волокно, даже если материал проволоки хуже. Поэтому разрывную силу делят на площадь поперечного сечения. Получают напряжение разрыва, измеряемое в паскалях.
Для dragline silk обзорные работы приводят широкий диапазон порядка 1,1–1,8 ГПа. Это уровень некоторых высокопрочных сталей, но не основание говорить, что любой паучий шёлк сильнее любой стали. Результат зависит от вида паука, влажности, скорости получения нити и методики испытания.
Почему важна плотность
Плотность паучьего шёлка составляет примерно 1,3 г/см³, а стали — около 7,8 г/см³. При сопоставимой прочности шёлк заметно легче. Поэтому его удельная прочность, то есть прочность в расчёте на массу, может превосходить сталь.
Это полезно для лёгких тросов и волокон, но не заменяет другие требования. Деталь должна сохранять форму, соединяться с конструкцией, выдерживать температуру, влагу и многократные циклы нагрузки.
Жёсткость и растяжимость
Сталь обычно значительно жёстче: при той же нагрузке она деформируется меньше. Паучий шёлк способен заметно растягиваться до разрыва. В зависимости от задачи это либо достоинство, либо недостаток.
Для несущей балки большая деформация мешает. Для ловчей сети она помогает поглотить энергию летящего насекомого, не оборвав нить. Поэтому шёлк интересен сочетанием прочности и растяжимости, а не рекордом по одному параметру.
Работа разрушения
Площадь под кривой «напряжение — деформация» показывает, сколько энергии единица объёма материала поглощает до разрушения. Эту величину по-английски называют toughness; по смыслу это работа разрушения на единицу объёма. Для dragline silk обзоры приводят значения порядка 100–400 МДж/м³, хотя разброс велик.
Не следует путать эту величину с трещиностойкостью массивной детали: там используются другие образцы и единицы измерения.
Честный вывод
Каркасный паучий шёлк может быть сопоставим с некоторыми сталями по напряжению разрыва, выгоднее по отношению прочности к массе и значительно более растяжим. Сталь обычно намного жёстче, технологичнее и доступна в огромном диапазоне марок.
Поэтому корректный вопрос звучит не «что прочнее вообще», а «какое свойство важно для данной конструкции». Именно это превращает эффектное сравнение в материаловедение.